Forschungsbericht. Charakterisierung und Optimierung von. NawaRo-Biogasanlagen in typischen Ackerbauregionen

Transkript

1 Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Landwirtschaftliche Fakultät Lehr- und Forschungsschwerpunkt Umweltverträgliche und Standortgerechte Landwirtschaft Forschungsbericht Nr. 160 Charakterisierung und Optimierung von NawaRo-Biogasanlagen in typischen Ackerbauregionen in NRW Verfasser: Jenny Roitsch und Prof. Dr. agr. Wolfgang Büscher

2 Herausgeber:Lehr- und Forschungsschwerpunkt Umweltverträgliche und Standortgerechte Landwirtschaft, Landwirtschaftliche Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Meckenheimer Allee , Bonn Tel.: ; Fax.: Forschungsvorhaben im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein- Westfalen Bonn, August 2009 ISSN Projektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Büscher Projektbearbeiter: M. Sc. agr. Jenny Roitsch Institut für Landtechnik Nussallee Bonn Zitiervorschlag: ROITSCH, J. UND W. BÜSCHER (2009): Charakterisierung und Optimierung von NawaRo- Biogasanlagen in typischen Ackerbauregionen in NRW. Landwirtschaftliche Fakultät der Universität Bonn, Schriftenreihe des Lehr- und Forschungsschwerpunktes USL, Nr. 160, 154 Seiten

3

4

5 Verzeichnisse I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Problemstellung Zielsetzung Literaturanalyse Grundlagen der Biogaserzeugung Anaerobe Vergärung Verfahrenstechnik Einteilung der Verfahren zur Biogaserzeugung Rührwerkstechnik Pumpen und Substratleitungen Verstromung Abwärmenutzung Einflussfaktoren und Prozessparameter Temperatur ph-wert Organische Säuren und Pufferkapazität Hemmstoffe Gaszusammensetzung Faulraumbelastung Verweilzeit Spurenelemente Substrateinsatz bei NawaRo-Biogasanlagen Nachwachsende Rohstoffe Wirtschaftsdünger...33

6 Verzeichnisse II 2.6 Gesetzlicher Hintergrund Grundlagen der Wirtschaftlichkeit Grundlagen des Qualitätsmanagements Qualitätsbegriff Qualitätsmanagement und Qualitätssicherung Auditarten Zertifizierung Material und Methoden Auswahlkriterien und Anlagenbeschreibung Praxisanlage A Praxisanlage B Vergleichsanlagen mit Flüssigmistbeschickung Messkonzept Langzeituntersuchung Analyse des Gärsubstrates Gasanalyse Erfassung technischer und energetischer Parameter Analyse der Inputmaterialien Gärversuche Datenaufzeichnung Störfallanalyse Optimierungsprozess Erstellung eines QM-Handbuches Darstellung und Diskussion der Ergebnisse Inputmaterialien... 82

7 Verzeichnisse III 4.2 Qualität der Inputmaterialien Untersuchungsergebnisse des Gärsubstrates Trockensubstanz Organische Trockensubstanz ph-wert Salzgehalt und Leitfähigkeit Fettsäuren und FOS/TAC Essigsäureäquivalent Vergleich der Prozessstabilität zwischen zwei Anlagentypen Gasanalyse Methan Schwefelwasserstoff Sauerstoff Spurenelemente Darstellung der energetischen Parameter Temperatur Leistung Untersuchungsergebnisse der Gärversuche im Batchfermenter Störfallanalyse Ergebnisse des Qualitätsmanagements Auswertung des Audits Vergleich der Ergebnisse mit anderen NawaRo-Biogasanlagen Bewertung der Methode des Qualitätsmanagements Fazit Zusammenfassung 147

8 Verzeichnisse IV 7 Literaturverzeichnis 149

9 Verzeichnisse V Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Der vierstufige Abbauprozess der anaeroben Vergärung... 4 Abbildung 2: Darstellung der Verfahrensschritte bei der Biogasproduktion (FNR, 2006) Abbildung 3: Tauchmotorrührwerk (KTBL, 2007) Abbildung 4: Paddelrührwerk (KTBL, 2007) Abbildung 5: Unterschiedliche Energiegehalte von Nadelholz- Hackgut getrocknet und Na-delholz- Hackgut waldfrisch (ARGRE KOMPOST UND BIOGAS, 2008) Abbildung 6: Tragluftdach mit integriertem Gasspeicher (Quelle: FA Baur) Abbildung 7: Eintragstechnik Quick Mix (Quelle: Vogelsang) Abbildung 8: Pumpenstation auf dem Untersuchungsbetrieb A Abbildung 9: Beispiel eines Umpump-Protokolles der Anlage A Abbildung 10: Gärstrecke bestehend aus vier Behältern Abbildung 11: Einsatz des Tauchmotorrührwerks (Quelle: FA Stallkamp) Abbildung 12: Paddelrührwerk (Quelle: FA Agrikomp) Abbildung 13: Blockheizkraftwerk (FA Jenbacher) Abbildung 14: Praxisanlage B Abbildung 15: Fütterungssystem auf Untersuchungsbetrieb B Abbildung 16: Prinzip und Aufbau des Messkonzeptes Abbildung 17: Gasanalysegerät (Quelle: FA ExTox) Abbildung 18: Gärversuch im Batchfermenter Abbildung 19: Aufbau der QM-Dokumentation Abbildung 20: Darstellung des Prozesses der Messung, Bewertung und Verbesserung von Leistungen Abbildung 21: Konzept zur Risikoanalyse Abbildung 22: Massenanteile im gesamten Versuchszeitraum (Anlage A) Abbildung 23: Massenanteile der Komponenten NawaRo und Festmist (BGA A) Abbildung 24: Massenanteile im gesamten Versuchszeitraum (Anlage B) Abbildung 25: Massenanteile der Komponenten NawaRo und Festmist (Anlage B) Abbildung 26: Anteile der Biogasanlagen nach Substratgemisch (KTBL, 2006) Abbildung 27: Lagerung der Maissilage auf Anlage B und Nacherwärmung Abbildung 28: Trockensubstanzgehalt der Biogasanlage A im Zeitverlauf Abbildung 29: Trockensubstanzgehalt der Biogasanlage B im Zeitverlauf Abbildung 30: Organischer Trockensubstanzgehalt Anlage A Abbildung 31: Organischer Trockensubstanzgehalt Anlage B Abbildung 32: Verlauf der ph-werte im Versuchszeitraum (Anlage A) Abbildung 33: Verlauf der ph-werte im Versuchszeitraum (Anlage B) Abbildung 34: Beziehung zwischen dem Salzgehalt und der Leitfähigkeit Abbildung 35: Essigsäureäquivalente Untersuchungsbetrieb A Abbildung 36: Essigsäureäquivalente Untersuchungsbetrieb B

10 Verzeichnisse VI Abbildung 37: Beziehung zwischen Essigsäureäquivalent und FOS/TAC Abbildung 38: Methangehalt der Anlage A im Versuchszeitraum Abbildung 39: Boxplot zur Darstellung des Methangehalts bei BGA A Abbildung 40: Methangehalt Anlage B Abbildung 41: Boxplot zur Darstellung des Methangehalts bei BGA B Abbildung 42: Schwefelwasserstoffgehalte der Anlage A Abbildung 43: Abhängigkeit des Methangehaltes vom Schwefelwasserstoff nach Eisenzugabe Abbildung 44: Schwefelwasserstoffgehalt Anlage B Abbildung 45: Sauerstoffgehalt der Anlagen A und B Abbildung 46: Substrateinsatz und BHKW-Leistung nach Spurenelementzugabe BGA A Abbildung 47: Darstellung des Temperaturverlaufs im Versuchszeitraum (BGA A) Abbildung 48: Darstellung des Temperaturverlaufs im Versuchszeitraum (BGA A) Abbildung 49: Leistungsverlauf auf Basis der Mittelwerte (Anlage A) Abbildung 50: Leistungsverlauf auf Basis der Mittelwerte (Anlage B) Abbildung 51: Wirkungsgrad Anlage B Abbildung 52: Auswertung der Störfälle Abbildung 53: Kontrollempfehlung...146

11 Verzeichnisse VII Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Stoffumsetzung in der hydrolytischen Phase und Beispiele beteiligter Mikro-organismen (SCHULZ ET AL., 1982)... 5 Tabelle 2: Stoffumsetzungen in der acidogenesen Phase und Beispiele beteiligter Mikro-organismen (SCHULZ ET AL., 1982; GRAF, 1999; OTTOW, 1997)... 7 Tabelle 3: Stoffumsetzungen in der acetogenen Phase und Beispiele beteiligter Mikroorganismen (SCHULZ ET AL, 1982; KLEEMANN UND MELIß, 1993; WENZEL, 2002)... 8 Tabelle 4: Stoffumsetzungen in der methanogenen Phase und Beispiele beteiligter Mikroorganismen (KALTSCHMITT UND HARTMANN, 2001; WENZEL, 2002) Tabelle 5: Vergleich der Pumpenbauarten Tabelle 6: Erforderliche Konzentrationen der Spurenelemente (SAHM, *MUNDRACK; KUNST;) Tabelle 7: Schwankungsbreite bei Zusammensetzung und Biogasertrag verschiedener Gülle- und Mistarten im mesophilen Temperaturbereich Tabelle 8: Messparameter Tabelle 9: Unterteilung der Gefährdungen nach deren Art bzw. Herkunft Tabelle 10: Risikobeurteilungsmodel Tabelle 11: Mittelwerte der täglichen Inputmengen[kg/d] Anlage A Tabelle 12: Mittelwerte der täglichen Inputmengen [kg/d] Anlage B Tabelle 13: Ergebnisse der Temperaturmessung am Silo Tabelle 14: Ergebnisse der Analyse der Maissilage (Anlage A) Tabelle 15: Stromwert der Silage (THAYSEN, 2007)...89 Tabelle 16: Kennzahlen zum TS-Gehalt (BGA A) Tabelle 17: Kennwerte zum TS-Gehalt (BGA B) Tabelle 18: Kennwerte zum ots-gehalt (BGA A) Tabelle 19: Kennwerte zum ots-gehalt (BGA B) Tabelle 20: Kenngrößen zum ph-wert (Anlage A) Tabelle 21: Kenngrößen zum ph-wert (Anlage A) Tabelle 22: Darstellung der Salzgehalte und Leitfähigkeit beider Biogasanlagen Tabelle 23: Vergleich von Essigsäuregehalt und FOS/TAC beider Untersuchungsbetriebe Tabelle 24: Kennwerte der Propionsäuregehalte von Untersuchungsbetrieb A und B Tabelle 25: Gehalt an Spurenelementen 1.Termin Tabelle 26: Gehalt an Spurenelementen 2.Termin (Kontrolltermin) Tabelle 27: Betriebsstunden des BHKW (BGA A) Tabelle 28: Abwärmenutzung der BGA A im Versuchszeitraum Tabelle 29: Vergleich der Gaserträge aus der Maissilage (oben/mitte Anlage A) vom Tabelle 30: Kennwerte der Maissilage von Untersuchungsbetrieb A Tabelle 31: Gasertrag des Hähnchenmistes (Anlage A) vom Tabelle 32: Gaserträge der Maissilage oben (Anlage B) vom

12 Verzeichnisse VIII Tabelle 33: Auswertung der Gärversuche (Anlage B) vom Tabelle 34: Gasertrag des Rindermistes (Anlage B) vom Tabelle 35: Auswertung der Gärversuche (Anlage B) vom Tabelle 36: Checkliste Verantwortung der Leitung Tabelle 37: Checkliste Ziele des Anlagenbetreibers Tabelle 38: Checkliste - Umweltaspekte Tabelle 39: Checkliste Qualifikation von Mitarbeitern Tabelle 40: Checkliste - Qualitätsmanagement-Handbuch Tabelle 41: Checkliste Technischer Betrieb Tabelle 43: Checkliste Ökonomie des Betriebes Tabelle 44: Checkliste Wartung, Reinigung und Schädlingsbekämpfung Tabelle 45: Checkliste Grundstück und Erschließung Tabelle 46: Checkliste Anlage und Ausrüstung Tabelle 47: Checkliste - Substratbeschaffung Tabelle 48: Checkliste - Betriebsmittel Tabelle 49: Checkliste Verwertung von Gärresten Tabelle 50: Checkliste Abnahme von Gas, Strom und Wärme Tabelle 51: Checkliste Messung technischer und biologischer Parameter Tabelle 52: Checkliste Reklamation und Beschwerde Tabelle 53: Checkliste Störfallmanagement und Fehlerbehebung Tabelle 54: Checkliste - Sicherheit Tabelle 55: Checkliste -Rückverfolgbarkeit Tabelle 56: Checkliste Mess- und Prüfmittel Tabelle 57: Checkliste Interne Audits Tabelle 58: Auswertung des QM-Systems auf Untersuchungsbetrieb A Tabelle 59: Vergleich der Ergebnisse des Qualitätsstandards...139

13 Verzeichnisse IX Abbkürzungsverzeichnis BGA BHKW BP CCM CCP EEG F FM g h kg kw KWKK l LUFA n ots ph s t TM Biogasanlage Blockheizkraftwerk Beobachtungspunkt Corn Cob Mix Critical Control Point Erneuerbare-Energien-Gesetz Fermenter Frischmasse Gramm Stunde Kilogramm Kilowatt Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Liter Landwirtschaftliche Untersuchungs- und Forschungsanstalt Anzahl der Wiederholungen organische Trockensubstanz ph-wert Standardabweichung Tonne Trockenmasse

14

15 Einleitung 1 1 Einleitung 1.1 Problemstellung Die Bereitstellung von Energie im Spannungsfeld zwischen Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit und Umweltverträglichkeit stellt eine der großen globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Trotz begrenzter Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe steigt der Energiebedarf der Weltbevölkerung ungebremst an. Um die zukünftige wirtschaftliche Entwicklung nicht zu bremsen und sich den abzeichnenden CO2-bedingten klimatischen Veränderungen entgegenzustellen, muss ein Umstieg auf andere Energiequellen erfolgen. Die Nutzung von Biomasse zur Erzeugung von Strom, Wärme und Biokraftstoffen spielt dabei eine zentrale Rolle für die Erreichung der europäischen und nationalen Klimaschutzziele sowie für den in der europäischen Union bis 2020 angestrebten Ausbau erneuerbarer Energie auf 25 %. Vor dem Hintergrund der globalen Anstrengungen zur Reduzierung der anthropogenen Treibhausgasemissionen hat die Nutzung von Biomasse als nachhaltige Energiequelle den entscheidenden Vorteil, dass die Energie nahezu CO 2 -neutral produziert werden kann, da nur das klimawirksame Kohlendioxid freigesetzt wird, dass zuvor bei der Entstehung der Biomasse der Atmosphäre entnommen wurde (BMU, 2008). Eine viel versprechende Möglichkeit bietet dabei die Biogasproduktion durch die Vergärung geeigneter Biomasse. Vor allem in viehlosen Betrieben der Ackerbauregionen ist im Zuge der aktuellen agrarpolitischen Entwicklungen (wie z.b. Zuckermarktreform) mit Umstrukturierungen zu rechnen. So kann die Erzeugung und Bereitstellung von Biomasse zur Energiegewinnung eine wichtige Stellung bei der zukünftigen Ausrichtung landwirtschaftlicher Betriebe einnehmen. Es ist festzustellen, dass Biogasanlagen für die Vergärung nachwachsender Rohstoffe in reinen Ackerbauregionen errichtet werden, da dort ausreichend Flächen zur Verfügung stehen und hohe Flächenerträge erzielt werden können. Aufgrund fehlender Tierhaltung in diesen Regionen steht für den Gärprozess innerbetrieblich kein Flüssigmist zur Verfügung. Somit fehlt dem Gärprozess die Flüssigkeit für die Verdünnung und Homogenisierung sowie deren puffernde Eigenschaft. Außerdem sind die Trockenmassegehalte im Gärsubstrat erheblich höher, was wiederum Auswirkungen auf die Rühr- und Pumptechnik haben kann. Aufgrund erster Erfahrungen mit diesem Anlagentyp wird davon ausgegangen, dass bei Biogasanlagen, die auf den kontinuierlichen Einsatz von Flüssigmist verzichten, die biologischen Prozesse sensibler bzw. instabiler sind und somit die Anlagen schwieriger in der Handhabung sind.

16 Einleitung Zielsetzung An der beschriebenen Problematik setzen die Projektuntersuchungen an. Es sollen zwei typische NawaRo-Biogasanlagen in einer 12-monatigen Langzeituntersuchung messtechnisch und analytisch begleitet werden, um spezielle Handhabungsprobleme innerhalb eines kompletten Jahreszyklus aufzudecken. Projektziele sind eine Zustandsbeschreibung und anschließende Optimierung von NawaRo- Biogasanlagen, dazu werden folgende Teilziele bearbeitet: Es werden Laborversuche und Analysen der Substrate zur Abschätzung der Potenzialreserven durchgeführt. Aus den Inputmaterialien wird das Biogaspotenzial bestimmt, aus dem Gärrest des Endlagers dagegen das Restgaspotenzial. Grundsätzlich soll eine Einschätzung der Prozessstabilität im Vergleich zu konventionellen Biogasanlagen mit Flüssigmistzugabe erfolgen. Für diesen Vergleich werden Laborergebnisse von entsprechenden Anlagen hinzugezogen. Die Wirtschaftlichkeit dieses Anlagentyps soll mit Hilfe von Langzeit- Begleituntersuchungen berücksichtigt werden. Als eine zusätzliche Optimierungs-Methode wird der von der DLG entwickelte Qualitätsstandard für NawaRo-Biogasanlagen hinzugezogen. Weiterhin soll die Methode des Qualitätsstandards auf ihre Eignung zur Schwachstellenanalyse geprüft werden. Auf dieser umfangreichen Datenbasis soll die Erarbeitung einer Schwachstellenanalyse erfolgen. Dabei werden stoffliche, biologische, technische und menschliche Aspekte berücksichtigt, so dass letztendlich eine Beratungsempfehlung für die landwirtschaftliche Praxis gegeben werden kann.

17 Literaturanalyse 3 2 Literaturanalyse 2.1 Grundlagen der Biogaserzeugung Unter Sauerstoffabschluss entsteht aus organischer Masse im wässrigen Milieu durch die anaerobe Fermentation ein wasserdampfgesättigtes Mischgas, das so genannte Biogas. Es ist aufgrund seines Methangehaltes brennbar und damit energetisch nutzbar (KALTSCHMITT ET AL., 1993). Dieser Prozess ist in der Natur weit verbreitet und findet im Verdauungstrakt von Wiederkäuern, in Sümpfen, Mooren oder auf dem Grund von Ozeanen oder Seen statt. Grundsätzlich kann aus jeglichen organischen Materialien Biogas gewonnen werden (EDER UND SCHULZ, 2006). Dieses setzt sich aus ca Vol.-% Methan (CH 4 ), Vol.-% Kohlendioxid (CO 2 ), 2-7 Vol.-% Wasser (H 2 O), ppm Schwefelwasserstoff (H 2 S), < 2 Vol.-% Stickstoff (N 2 ), < 2 Vol.-% Sauerstoff und < 1 Vol.-% Wasserstoff (H 2 ) zusammen. Für den Biogasanlagenbetreiber ist zunächst der Methangehalt interessant, da hieraus die zu gewinnende Energie resultiert (FNR, 2006). 2.2 Anaerobe Vergärung Durch die Umwandlung von Energie werden die Lebensvorgänge auf der Erde ermöglicht. Wasserstoff spielt dabei als Energiequelle eine bedeutende Rolle für alle aeroben Lebewesen. Die Strahlungsenergie der Sonne wird bei der Photosynthese in chemische Energie umgewandelt, wobei Wasser von phototrophen Organismen zu Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Wasserstoff wird dabei mit Kohlenstoff zu Glukose (C 6 H ) und anderen organischen Stoffen umgesetzt. Im Gegensatz zur aeroben Atmung steht im anaeroben Milieu den Organismen kein aus der Atmosphäre gelöster Sauerstoff zur Verfügung. Anaerobier müssen den für die Zellteilung und Zellerhaltung notwendigen Energiebedarf durch Substratphosphorylierung decken. Der freiwerdende Wasserstoff wird beim Abbau organischer Verbindungen unter ATP-Bildung auf andere Verbindungen übertragen (GOSCH, 1984). Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen dem aeroben und anaeroben Abbau besteht in der Höhe des Energiegewinns, den die Organismen aus einem bestimmten Stoffwechselschritt erreichen. Beim aeroben Abbau von Glucose stehen letztendlich kj/mol den Organismen als freie Energie für die Bildung von 38 ATP zur Verfügung. Bei

18 Literaturanalyse 4 der anaeroben Vergärung dagegen wird der Energiegehalt der Glucose hauptsächlich in Biogas überführt, wobei als Energiegewinn lediglich eine freie Energie von -58 kj/mol verbleibt, die die Bildung von 2 ATP ermöglicht. Der anaerobe Stoffwechsel weist gegenüber dem aeroben einen sehr geringen Energiegewinn beim Umsatz eines Moles des gleichen Substrates auf, was zur Folge hat, dass anaerobe Organismen vergleichsweise langsamer wachsen. Ein ausreichender Rückhalt von anaeroben Organismen im System stellt daher die wichtigste Anforderung zur Gewährleistung eines stabilen Biogasbetriebs dar (BISCHOFSBERGER ET AL., 2004). Grundsätzlich unterscheidet man zwischen verschiedenen Organismenarten. Es gibt fakultativ anaerobe und obligat anaerobe Organismen. Fakultative Anaerobier können sowohl im sauerstoffhaltigen als auch im sauerstofffreien Milieu überleben. Solange der Sauerstoffeintrag nicht zu groß ist, können diese Bakterien den Sauerstoff verbrauchen bevor die streng anaerob lebenden Bakterien geschädigt werden. Die obligaten Anaerobier sind dagegen auf einen absolut sauerstofffreien Lebensraum angewiesen. Gelöster Sauerstoff hat eine toxische Wirkung auf diese Organismen (GOSCH, 1984). Während der anaeroben Vergärung wird der in den Substraten enthaltene Kohlenstoff zu Biogas umgesetzt. Dies geschieht in vier Abbauschritten (s. Abb. 1). Abbildung 1: Der vierstufige Abbauprozess der anaeroben Vergärung

19 Literaturanalyse 5 1. Hydrolyse Der erste Schritt der Biogasentstehung ist die Hydrolyse. Hier werden die komplexen organischen Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine durch Exoenzyme verschiedener Bakteriengattungen in ihre Monomere (Monosaccharide, Aminosäuren, kurzkettige Fettsäuren) zerlegt (GERADI, 2003). Die an diesem Prozess beteiligten Mikroorganismen scheiden dabei Enzyme aus, die das organische Material biologisch in die organischen Bestandteile spalten (EDER UND SCHULZ, 2006). Tabelle 1: Stoffumsetzung in der hydrolytischen Phase und Beispiele beteiligter Mikroorganismen (SCHULZ ET AL., 1982) Substrate Mikroorganismen Produkte Kohlenhydrate Proteine Fette Clostridium spp. Bacillus spp. Pseudomonas spp. Monosaccharide Aminosäuren Kurzkettige Peptide Langkettige Fettsäuren Glycerin Die Stoffgruppen der Hydrolyse lassen sich durch folgende Eigenschaften beschreiben: Kohlenhydrate (Zucker, Hemicellulose, Cellulose, Pektin, Lignin) lassen sich unterschiedlich gut aufschließen. Zucker und Hemicellulosen sind sehr gut hydrolysierbar, während die Hydrolyse von Cellulosen und Pektine deutlich langsamer abläuft (BISCHOFSBERGER ET AL., 2004). Der Abbau von Lignin und Kohlenwasserstoffen kann durch eine einfache hydrolytische Spaltung nicht erfolgen. Um das persistente Lignin (10-30 % der Masse von Gefäßpflanzen) abzubauen, wird molekularer Sauerstoff benötigt (FUCHS, 2007). Der Abbau von Eiweißen ist wesentlich komplexer als bei anderen Stoffgruppen, da bis zu 20 verschiedene Aminosäuren gebildet werden. Die Hydrolyserate ist geringer als bei Kohlenhydraten und oft sogar niedriger als bei Fetten.

20 Literaturanalyse 6 Die Hydrolyse von Fetten verläuft langsam und kann nur erfolgen, wenn eine Oberflächenvergrößerung durch Emulgierung des Fettes stattgefunden hat, damit fettspaltende Lipasen besser angreifen können. Wichtige Einflussfaktoren auf die Hydrolyse sind die Art des Substrates und die Partikelgröße, das Alter des Gärschlamms, die Temperatur, der ph-wert sowie die Mikroorganismenkonzentration und die Durchmischung des Fermenters. Für die optimale Hydrolyse bezogen auf Praxisanlagen bedeutet das, dass eine ausreichend lange Verweilzeit im Fermenter realisiert werden muss, eine hohe Temperatur und ein guter ph-wert eingestellt werden müssen (BISCHOFSBERGER ET AL., 2004). Die Hydrolyse stellt aufgrund des Abbaus vieler pflanzlicher Gerüstsubstanzen wie Cellulose, Hemicellulose und Lignin den geschwindigkeitsbestimmenden Prozess dar (KALTSCHMITT UND HARTMANN, 2001). 2. Acidogenese Die entstandenen Zwischenprodukte der Hydrolyse, mit Ausnahme der langkettigen Fettsäuren, werden in der folgenden Acidogenese (Versäuerungsphase) in weitere Bausteine zerlegt (Katabolismus). Anschließend erfolgt im Intermediärstoffwechsel (Amphibolismus) eine Umsetzung in zahlreiche organische Säuren und Phosphatester, welche der Synthese zelleigener Substanzen dienen. Der Aufbau einzelner Bausteine sowie die Synthese makromolekularer Verbindungen werden als Synthesestoffwechsel bezeichnet (Anabolismus). Dehydrogenasen sind die für die Oxidation des Substrates verantwortlichen Enzyme, die den freiwerdenden Wasserstoff überwiegend auf eines der beiden frei dissoziierbaren Coenzyme NAD + (Nikotinamid-Adenin-Dinucleotid) bzw. NADP + (Nikotinamid-Adenin- Dinucleotid-Phosphat) übertragen. Die Coenzyme verlassen das Dehydrogenase-Protein und geben den Wasserstoff nach Bindung an eine andere Dehydrogenase an einen H- Akzeptor ab. In dieser Form überträgt NADH 2 den Wasserstoff auf Vorstufen von Gärendprodukten oder auf H-Akzeptoren und regeneriert zu NAD (REHM UND HAMMAR, 2005). Die auf diesem Weg reduzierten Verbindungen werden von der Zelle ausgeschieden, wodurch es zu einer Anreicherung im Fermenter kommt. Die speziellen Gärungen werden nach ihren Ausscheidungsprodukten benannt; als Alkoholgärung, Milchsäuregärung, Propionsäuregärung und Essigsäuregärung. Die Abbaumechanismen der einzelnen Stoffgruppen werden nachfolgend beschrieben:

21 Literaturanalyse 7 Zucker werden über den Fructose-1,6-Diphosphat-Weg (FDP-Weg) zu Brenztraubensäure (Pyruvat) abgebaut. Diese C 3 -Verbindung stellt eine wichtige Vorstufe für weitere Abbau-, Umwandlungs- und Syntheseprozesse dar. Die Aufspaltung von Pyruvat erfolgt in Abhängigkeit von der Bakterienart in Ameisensäure (C 1 ), Essigsäure (C 2 ), Äthanol, Wasserstoff und Kohlendioxid. Aminosäuren werden durch die Stickland-Reaktion zu Essigsäure, Ammoniak und Kohlendioxid abgebaut. Bei dieser Reaktion wird eine Aminosäure unter ATP- Bildung oxidiert, die andere Aminosäure zur Reoxidation des gebildeten NADH reduziert wird. Wasserdampfflüchtige organische Säuren wie Propionsäure (C 3 ), Buttersäure (C 4 ), Valeriansäure (C 5 ) und Capronsäure stellen weitere Abbauprodukte dar. Tabelle 2: Stoffumsetzungen in der acidogenesen Phase und Beispiele beteiligter Mikroorganismen (SCHULZ ET AL., 1982; GRAF, 1999; OTTOW, 1997) Substrate Mikroorganismen Produkte Monosaccharide Aminosäuren Kurzkettige Peptide Langkettige Fettsäuren Glycerin Clostridium spp. Bacteroides spp. Butyrivibrio spp. Flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat) Aldehyde, Alkohole Ketone, Ammoniak Kohlendioxid, Wasserstoff 3. Acetogenese In der acetogenen Phase werden die flüchtigen Fettsäuren (C 3 -C 5 ) sowie die langkettigen Fettsäuren in Acetat, H 2, CO 2 und H 2 O umgewandelt. Alle Fettsäuren werden nach dem Prinzip der β-oxidation umgewandelt und um C 2 -Einheiten verkürzt (BISCHOFSBERGER ET AL., 2004). Dabei werden Essigsäure und Wasserstoff freigesetzt. Durch die Reduktion von Coenzymen wird der Wasserstoff jedoch entfernt. Durch die zunehmende Konzentration des eigenen Stoffwechselproduktes Wasserstoff wird die Aktivität der obligat anaeroben Essigsäurebildner gehemmt. Nur durch eine kontinuierliche Reduzierung der Wasserstoff-

22 Literaturanalyse 8 konzentration durch die Methanbakterien kann die Aktivität der Essigsäurebildner gewährleistet werden. Acetogene Mikroorganismen müssen in Symbiose mit methanogenen Mikroorganismen leben, damit die Acetogenen nicht durch de erhöhten Wasserstoffpartialdruck geschädigt werden (GREPMEIER, 2002). Um die Methanbildung nicht durch lange Diffusionswege des Wasserstoffs einzuschränken, muss der Wasserstoffübergang direkt erfolgen. Daher sollten in der Praxis erhöhte Turbulenzen und Scherkräfte im Fermenter vermieden werden, um derartige Zellverbindungen nicht zu zerstören. Die Endprodukte dieser 3. Abbaustufe, die von den Methanbakterien verwertet werden können, sind: Essigsäure, Wasserstoff, CO 2, Ameisensäure und Methanol (GOSCH,1984). Essigsäure bildet dabei die wichtigste Grundlage zur Bildung von Methan in der nächsten Phase. Tabelle 3: Stoffumsetzungen in der acetogenen Phase und Beispiele beteiligter Mikroorganismen (SCHULZ ET AL, 1982; KLEEMANN UND MELIß, 1993; WENZEL, 2002) Substrate Mikroorganismen Produkte Flüchtige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat) Aldehyde Alkohole Ketone Clostridium spp. Eubacterium spp. Acetat Kohlendioxid Wasserstoff 4. Methanogenese Während der Methanogenese wird aus den Abbauprodukten der Acetogenese Methan gebildet, wobei 70 % der Methanbildner acetotroph und 30 % hydrogenotroph sind. Die acetotrophen Methanbildner produzieren aus Essigsäure Methan, während die hydrogenotrophen Methanbildner Wasserstoff und Kohlenstoff verwerten (LINKE ET AL., 2003). Die methanogenen Bakterien sind für den Biogasprozess die wichtigsten Mikroorganismen. Es handelt sich dabei um Archaebakterien (Methanococcus- und Methanobacterium- Arten), die extreme Lebensräume der Erde seit etwas 3,5 Milliarden Jahren besiedeln

23 Literaturanalyse 9 (CAMPELL, 1997). Fast alle Spezies sind in der Lage H 2 +CO 2 umzusetzen, aber nur wenige Organismen können Essigsäure zu Methan umwandeln (BISCHOFSBERGER ET AL., 2004). Methanbakterien sind streng anaerob und unterscheiden sich von anderen Bakterien in folgenden Punkten: die Zellwand enthält kein Murein die Cytoplasmamembran besteht aus Isoprenoidlipiden anstatt Fettsäureglycerinestern es sind spezielle Coenzyme enthalten wie Coenzym M und Coenzym F 420. Die Einteilung der Coenzyme der Methanogenese erfolgt in zwei Klassen. Während die eine Gruppe für den Transport der C 1 -Einheit vom Ausgangssubstrat (CO 2 ) zum Endprodukt (CH 4 ) zuständig ist, stellt die andere Gruppe die für die Reduktion von CO 2 zu CH 4 notwendigen Elektronen bereit. Am ersten Schritt der Methanogenese ist das Coenzym Methanofuran beteiligt, was den fünfgliedrigen Furanring und ein Aminostickstoffatom enthält, das CO 2 bindet. Das Coenzym Methanopterin ist der C 1 -Carrier in den Zwischenschritten der Reduktion von CO 2 und CH 4. Der letzte Schritt der Methanogenese umfasst die Umwandlung einer Methylgruppe (CH 3 ) zu CH 4 durch das Coenzym M. An der Methanogenese sind nicht nur C 1 -Carrier, sondern auch Redoxcoenzyme beteiligt, wobei die Coenzyme F 420 und das Coenzym B als Elektronendonoren fungieren. In der letzten Phase des vierstufigen Abbauprozesses erfolgt die biologische Produktion von Methan aus Kohlendioxid. Die CO 2 -Reduktion lässt sich durch folgende Schritte beschreiben: Aktivierung von CO 2 durch ein methanofuranhaltiges Enzym. Reduzierung von CO 2 auf Formylniveau. Übertragung der Formylgruppe durch Methanofuran auf ein Enzym, das Methanopterin enthält. Dehydrierung auf Methen- und Methylniveau und Reduzierung. Übertragung der Methylgruppe auf ein Enzym, das CoM enthält. Methyl CoM wird durch das Methylreduktasesystem zu Methan reduziert, dabei entfernt das Coenzym F 430 die CH 3 -Gruppe vom CH 3 CoM und bildet einen Ni 2+ - CH 3 -Komplex. Anschließend reduzieren Elektronen aus CoB diesen Komplex und produzieren CH 4 und einen Disulfidkomplex.

24 Literaturanalyse 10 Durch die Reduktion dieses Komplexes mit H 2 werden freies CoM und CoB regeneriert. Diese Reaktion sorgt für die Energiegewinnung in der Methanogenese (MADIGAN ET AL., 2004). Tabelle 4: Stoffumsetzungen in der methanogenen Phase und Beispiele beteiligter Mikroorganismen (KALTSCHMITT UND HARTMANN, 2001; WENZEL, 2002) Substrate Mikroorganismen Produkte Acetat Kohlendioxid Wasserstoff Methanosarcina spp. Methanosaeta spp. Methanobacterium spp. Methan Kohlendioxid Das Endprodukt der anaeroben Vergärung ist ein Gasgemisch, das als Biogas bezeichnet wird. Die Gaszusammensetzung ist von diversen Parametern, wie Substratzusammensetzung und Betriebsweise abhängig, daher können Schwankungen innerhalb bestimmter Grenzen auftreten. Qualitätsunterschiede bestehen in Abhängigkeit vom Methangehalt, da der Brennwert mit der Methankonzentration steigt (GRUBER, 2007). In einstufigen Biogasanlagen laufen die vier Schritte des anaeroben Abbaus gleichzeitig in einem Fermenter ab. Es muss daher ein Kompromiss gefunden werden, um für alle beteiligten Mikroorganismen mit unterschiedlichen Ansprüchen an den Lebensraum optimale Lebensbedingungen zu schaffen. Die Milieubedingungen im Fermenter werden normalerweise an die Methanbakterien angepasst, da diese eine langsame Wachstumsrate aufweisen und besonders empfindlich auf Prozessstörungen reagieren (FNR, 2006). In zweistufigen Anlagen erfolgt eine Trennung der Hydrolyse und Acidogenese von der Aceto- und Methanogenese. Ziel dieser Trennung ist eine bessere Anpassung der Lebensbedingungen der verschiedenen Organismenarten, um dadurch eine höhere Abbauleistung zu bewirken. Allerdings sind an dieses Verfahren höhere Investitionen gekoppelt (WEILAND, 2001). 2.3 Verfahrenstechnik Landwirtschaftliche Biogasanlagen verfolgen das Ziel, aus Wirtschaftsdüngern und nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) Energie zu gewinnen.

25 Literaturanalyse 11 Weitere Vorteile der anaeroben Vergärung zur Energiegewinnung sind eine Geruchsminderung der Substrate durch den stofflichen Abbau und die verbesserte Pflanzenverfügbarkeit des Stickstoffs durch Umwandlung von organisch gebundenem Stickstoff in pflanzenverfügbaren Ammonium-N. Dadurch ist eine gezieltere Düngung möglich. Der Anteil organischer Säuren wird verringert und somit die pflanzenschädigende Ätzwirkung herabgesetzt (GRUBER, 2007). Außerdem wird eine schnellere Infiltration der flüssigen Biogasgülle in den Boden erzielt, wodurch eine bessere Nährstoffverwertung gewährleistet werden kann. Stickstoffverluste können somit deutlich reduziert werden (JUNGBLUTH ET AL., 2005). Grundsätzlich können die Verfahrensschritte einer landwirtschaftlichen Biogasanlage wie folgt dargestellt werden: a) Substrathandling: Anlieferung, Lagerung, Aufbereitung, Transport, Einbringung; b) Biogasgewinnung; c) Gärrest: Lagerung, Aufbereitung, Ausbringung; d) Biogasspeicherung, -aufbereitung, -verwertung. Abbildung 2: Darstellung der Verfahrensschritte bei der Biogasproduktion (FNR, 2006)

26 Literaturanalyse Einteilung der Verfahren zur Biogaserzeugung Die Anlagentechnik zur Biogaserzeugung weist ein großes Spektrum auf, wobei sich die verschiedenen Verfahren nach folgenden Kriterien einteilen lassen: Das erste Kriterium stellt die Anzahl der Prozessstufen dar. Es gibt einstufige, zweistufige oder mehrstufige Prozesse. In der landwirtschaftlichen Praxis überwiegen jedoch die einstufigen Verfahren. Hier findet keine Trennung der Vergärungsphasen statt, während bei zweistufigen Anlagen eine räumliche Trennung der Abbauphasen auf verschiedene Behälter erfolgt. Weiterhin kann zwischen unterschiedlichen Prozesstemperaturen unterschieden werden. Es gibt psychrophile, mesophile und thermophile Temperaturbereiche. Diese werden im Kapitel näher erläutert. Die Art der Beschickung ist ein weiteres Unterscheidungsmerkmal. Die Verfügbarkeit an frischem Substrat für die Mikroorganismen wird überwiegend durch die Art der Einbringung bestimmt und hat damit einen großen Einfluss auf die Biogasproduktion. Es kann eine Einteilung in diskontinuierliche und kontinuierliche Verfahren vorgenommen werden. Der diskontinuierlichen Beschickung kommt bei der Trockenfermentation eine besondere Bedeutung zu, während hier zwischen Batchverfahren und Wechselbehälterverfahren unterschieden wird. Bei der kontinuierlichen Beschickung finden Durchfluss- oder Speicherverfahren Anwendung. Vorteilhaft ist eine Beschickung in kleinen Mengen mehrmals am Tag. In der Praxis ist das Durchflussverfahren bei kontinuierlicher Beschickung die übliche Arbeitsweise (FNR, 2006). Entsprechend dem Trockensubstanzgehalt im Fermenter können der Verfahren zur Biogasproduktion in Nass- und Trockenvergärungsanlagen unterteilt werden (BISCHOFSBERGER ET AL., 2004). In Nassvergärungsanlagen liegt eine pumpfähige Mischung aus Substrat und Gärrest oder Prozesswasser vor, wobei der Trockenmassegehalt im Fermenter von 15 % nicht überschritten werden sollte, um die Pump- und Rührfähigkeit nicht einzuschränken (KTBL, 2007). Das Konzept der Nassvergärung ist am weitesten verbreitet. Bei der Trockenfermentation können schüttfähige oder stapelbare Substanzen mit einem Trockensubstanzgehalt bis zu 35 % verarbeitet werden.

27 Literaturanalyse Rührwerkstechnik Ein wesentlicher Aspekt bei der Verfahrenstechnik zur Biogaserzeugung stellt der Einsatz von Rühraggregaten dar. Für einen optimalen Vergärungsprozess muss eine vollständige Durchmischung des Gärsubstrates gewährleistet werden. Ein Ausfall der Durchmischung kann in kürzester Zeit eine Schwimmschichtenbildung hervorrufen und damit die Methanproduktion einschränken. Die Wahl einer bestimmten Rührwerkstechnik sowie die Einstellung von Ruhe- und Betriebsintervallen erfolgt anlagenindividuell (KARIM ET AL., 2005) und sind abhängig von der Art der eingesetzten Substrate (BURTON UND TURNER, 2003). Allerdings spielt auch das Durchmesser-Höhen-Verhältnis des Fermenters eine wichtige Rolle. Die Dimensionierung sollte so gewählt werden, dass der Behälterinhalt in allen Zonen erfasst und gleichmäßig verteilt wird. Die Anordnung der Rührwerke sollte bei stark zu Sinkschichten bildenden Substraten im unteren Fermenterbereich erfolgen, bei Schwimmschichtenbildung ist das Rührwerk im oberen Bereich anzubringen. Die Rührwerkstechnik bewirkt das Vermischen des frischen Substrates mit dem faulenden, um eine Animpfung mit aktiven Bakterien zu erzielen. Weiterhin soll eine gleichmäßige Fermentertemperatur durch das Durchmischen gewährleistet werden. Schwimm- und Sinkschichten sollen zerstört werden. Der Stoffwechsel der Bakterien wird durch das Austreiben der Biogasblasen und Heranführen frischer Substrate verbessert (HENNING ET AL., 2006) Einteilung der Rührwerkstypen: Grundsätzlich kann zwischen mechanischen und hydraulischen Rührwerken unterschieden werden. Zu den mechanischen Rühraggregaten zählen die Haspel-, Paddel- und Propellerrührwerke. Eine Zusatzeinteilung kann in Langsam- und Schnellläufer vorgenommen werden (EDER UND SCHULZ, 2006). Tauchmotorrührwerke kommen häufig in stehenden Fermentern zum Einsatz, wobei der Antrieb durch getriebelose Elektromotoren erfolgt. Sie werden komplett in das Substrat eingetaucht und lassen sich meist in ihrer Höhe und Neigung verstellen, allerdings weisen sie auch einen hohen Energieverbrauch auf.

28 Literaturanalyse 14 Abbildung 3: Tauchmotorrührwerk (KTBL, 2007) Langsam laufende Paddel-, Haspel-, schräge Langachs- oder Zentralrührwerke haben einen niedrigeren Energieverbrauch. Der Motor dieser Rührwerke liegt außerhalb des Fermenters, wodurch Wartungsarbeiten einfach durchzuführen sind. Abbildung 4: Paddelrührwerk (KTBL, 2007) Paddel- oder Haspelrührwerke werden bauartbedingt häufig in liegenden Fermentern eingebaut, die nach dem Pfropfenstromprinzip arbeiten. Die Durchmischung wird durch Paddel auf der horizontalen Rührachse realisiert (FNR, 2006). Hydraulische und pneumatische Rührwerke erreichen nicht die Leistung wie Mechanische und werden höchsten in Kombination zu diesen eingesetzt (GRUBER, 2007). Bei der pneumatischen Durchmischung wird Biogas über den Fermenterboden eingeblasen und bewirkt eine vertikale Bewegung des Gärsubstrates durch das Aufsteigen von Gasblasen. Die hydraulische Durchmischung be-

29 Literaturanalyse 15 ruht auf dem Prinzip des Absaugens und Einleitens von Gärsubstrat, wodurch der Fermenterinhalt vollständig durchmischt werden soll Pumpen und Substratleitungen In jeder Biogasanlage müssen Substrate in flüssiger oder pastöser Form dem Fermenter zugeführt werden; der Gärrest wird anschließend zum Nachgärer und Endlager transportiert. Oftmals sind in vielen Biogasanlagen zusätzliche Rücklaufvolumenströme erforderlich. All diese Transportaufgaben sind von entsprechenden Pumpen und Rohrleitungen zu erfüllen (KTBL, 2009). Der Einsatz von Pumpen zum Substrattransport in der Biogastechnologie gleicht denen, die in der Gülletechnik Anwendung finden. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch in der Antriebstechnik, da dieser Pumpentyp ausschließlich von fest installierten Elektromotoren betrieben wird. Da es trotz ausführlicher Planung zu Verstopfungen kommen kann, muss die Pumpe gut zugänglich eingebaut und leicht zu öffnen sein, damit die Möglichkeit einer schnellen Beseitigung der Problematik gewährleistet werden kann. Weiterhin sind bewegliche Teile der Pumpen grundsätzlich als Verschleißteile einzustufen, die gelegentlich ausgetauscht werden müssen. Eine regelmäßige Kontrolle und Wartung der Bauteile sollte gegeben sein, ohne dass ein Betriebsausfall der Biogasanlage stattfindet. Unter Betrachtung der spezifischen Eigenschaften können grundsätzlich Kreiselpumpen oder Verdrängerpumpen in der Praxis eingesetzt werden (s. Tab. 5). Tabelle 5: Vergleich der Pumpenbauarten Typ Kreiselpumpe Verdrängerpumpe Bauweise Eigenschaft Tauchkreiselpumpe Kreiseltauchpumpe Hohe Förderleistung, geringer Druck, nicht grundsätzlich selbstansaugend Exzenterschneckenpumpe Drehkolbenpumpe Dosierbar, selbstansaugend, konstanter Druck, auch für dickflüssige Materialien geeignet

30 Literaturanalyse 16 Kreiselpumpen sind mit oder ohne Schneidwerk aus der Gülletechnik bekannt und werden vorzugsweise für den Transport einer größeren Menge eines eher dünnflüssigen Materials mit einem Trockensubstanzgehalt unter 10 % eingesetzt. Die Leistungsaufnahme beträgt zwischen 3 und 15 kw und die Förderleistung liegt bei 2-6 m³/min. Das Ansaugen von Fördermedien ist eine Schwachstelle der Kreiselpumpe, daher sollte sie so angeordnet werden, dass sie nicht frei saugen muss (BIOGASHANDBUCH BAYERN, 2007; KTBL, 2009). Zu den Verdrängerpumpen zählen die Exzenterschnecken- und Drehkolbenpumpe, welche sich für den Einsatz bei dickflüssigem Material eignen. Exzenterschneckenpumpen saugen aus einer Tiefe von bis zu 8,5 m selbst an, wobei sie einen Druck von bis zu 24 bar erzeugen. Bei langfaserigen Bestandteilen besteht eine Verstopfungsanfälligkeit. Im Vergleich zu den Kreiselpumpen ist die Förderleistung geringer. Drehkolbenpumpen erreichen bei Drücken von 2-10 bar und Leistungsaufnahmen von 7,5 bis 55 kw eine Fördermenge von 0,5-4 m³/min. Sie sind wesentlich unempfindlicher gegenüber langfaserigen Materialien im Fördermedium. Daher wird dieser Pumpentyp häufig bei Biogasanlagen eingesetzt, wenn die Inputmaterialien aus Maissilage, Grassilage oder Festmist bestehen. Die hohe Förderleistung bewirkt, dass in kurzer Zeit große Mengen an frischem Substrat in den Fermenter gelangen, was sich wiederum nachteilig auf den Biogasprozess auswirken kann, indem eine Temperaturabsenkung und kurzzeitige Stoßbelastung für die Mikroorganismen hervorgerufen wird. Die Befüllintervalle und Pumpenlaufzeit sind daher kurz zu wählen. Alternativ bietet sich der Einsatz einer drezahlregelbaren Verdrängerpumpe oder einer langsamlaufenden Exzenterschneckenpumpe (BIOGASHANDBUCH BAYERN, 2007). Insbesondere bei der Verwendung von Kofermenten sind Verdrängerpumpen vorteilhaft. Die geförderte Menge kann über die Zahl der Umdrehungen ermittelt werden, was eine sehr genaue Dosierung ermöglicht und eine stabilere Prozesssteuerung bewirkt. Bei den Substratleitungen wird zwischen Druckleitungen und drucklosen Leitungen unterschieden. Erstere weisen einen Druck größer dem atmosphärischen Druck auf und sie befinden sich meist in dem Bereich vor oder nach einer Pumpe, was eine druckbeständige Materialwahl erfordert. Um Druckverluste zu minimieren und Verstopfungen zu vermeiden, sollte der Rohdurchmesser mindestens 100 bis 125 mm betragen, für längere Strecken eher 150 mm. Eine zu große Nennweite der Rohre verringert jedoch die Fließgeschwindigkeit und ermöglicht eine Sedimentation im Rohr, welches sich dadurch verengt und der

31 Literaturanalyse 17 Rohrdurchschnitt verkleinert wird. Drucklose Leitungen sollten eine Nennweite von mindestens mm haben. Die Rohrweite sollte also dem zu transportierenden Material angepasst werden und ein leichtes Gefälle zum nächsten Behälter von ca. 2 % aufweisen (BIOGASHANDBUCH BAYERN, 2007; KTBL, 2009) Verstromung Das entstandene Biogas wird selten direkt verstromt, sondern in der Regel erst in Gasspeichern zwischengelagert. Voluminöse Gasspeicher sind hierbei von Vorteil, da so anfallende Reparaturarbeiten oder Wartungsarbeiten am Blockheizkraftwerk überbrückt werden können, ohne dass das Biogas ungenutzt vernichtet werden muss. Von dem Gasspeicher aus gelangt das Biogas zur Energieumwandlung in ein Blockheizkraftwerk (BHKW), in diesem wird es durch Verbrennung in einem Motor in mechanische und thermische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie wird anschließend über einen Generator in elektrische Energie verwandelt. Dieses Prinzip der gleichzeitigen Erzeugung von Kraft (bzw. Strom) und Wärme wird als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet. Hierzu werden überwiegend Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotoren verwendet, die mit einem Generator gekoppelt sind. Der produzierte Strom kann nun nach den Vergütungssätzen des Erneuerbaren-Energien- Gesetzes (EEG) 2009 in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, während die anfallende Wärme aus der Kühlung und dem Abgas des BHKW-Motors einer sinnvollen Wärmeverwendung zur Verfügung gestellt werden kann (FNR, 2006). Wie viel Strom und Wärme aus Biogas erzeugt werden kann, hängt hauptsächlich von der Größe und der Bauart des verwendeten Blockheizkraftwerks ab. Die elektrische Anschlussleistung des BHKW gibt die Leistung der gesamten Biogasanlage an. Der Gesamtwirkungsgrad eines BHKW liegt dabei zwischen 80 und 90 Prozent. Das bedeutet, dass zwischen 80 und 90 Prozent der eingesetzten Energie aus dem Biogas in Wärme und Strom umgesetzt werden. Der elektrische Wirkungsgrad liegt je nach Leistung und Bauart zwischen 30 und 45 Prozent. Bei der Energieumwandlung fallen also grob gerechnet ca. 40 % der Energie in Form von Elektroenergie und ca % als Wärme an. Grundsätzlich wird zwischen Gas-Otto-Motoren und Zündstrahlmotoren unterschieden. Erstere sind speziell für die Verwertung von Gasen konstruiert und weisen eine Standzeit von ca Betriebsstunden auf. Der Leistungsbereich liegt bei bis zu 2 MW el, der

32 Literaturanalyse 18 elektrische Wirkungsgrad bei %, der thermische Wirkungsgrad bei %. Ein Mindestmethangehalt von 45 % wird empfohlen. Zündstrahlmotoren haben eine kürzere Standzeit von nur ca Stunden und werden in einem Leistungsbereich von bis zu 540 kw el eingesetzt. Im unteren Leistungsbereich ist der elektrische Wirkungsgrad höher im Vergleich zu Gas-Otto-Motoren, dieser liegt bei %, der thermische Wirkungsgrad bei %. Nachteilig ist der Einsatz eines zusätzlichen Brennstoffes und beim Schadstoffausstoß werden die TA-Luft-Grenzwerte oft nicht eingehalten. Durch das zugesetzte Zündöl wird ein Mindestmethangehalt nicht benötigt (KTBL, 2007) Abwärmenutzung Um eine Biogasanlage wirtschaftlich zu betreiben, wird es aus ökonomischen Gründen immer wichtiger, neben der elektrischen Energie auch die thermische Energie vollständig zu nutzen. So kann beispielsweise Energie zur Beheizung eines landwirtschaftlichen Betriebes substituiert und gleichzeitig überzählige Wärmeenergie anderweitig verwendet oder an geeignete Verbraucher verkauft werden. Für viele Arten von Wärmenutzung ist ein Nahwärmenetz erforderlich. Dazu werden wärmegedämmte Rohre im Erdboden verlegt und das erwärmte Wasser mittels einer Pumpe zu den jeweiligen Abnehmern verteilt bzw. auf die Heizkreise übertragen. Unberücksichtigt bleibt aber häufig, dass gerade bei größeren Biogasanlagen weitaus mehr thermische Energie zur Verfügung steht als für die Beheizung von Ställen und Wohngebäuden benötigt wird. Speziell in den Sommermonaten wird kaum Wärmeenergie gebraucht, dieses Potential bleibt häufig ungenutzt. Eine weitere Alternative bietet der Verkauf der thermischen Energie an andere Verbraucher. Hier ist der Standort der Biogasanlage von entscheidender Bedeutung. Da eine Biogasanlage in der Regel nicht in der Nähe von Wohngebieten oder Gewerbeflächen errichtet wird, stellt sich die meist große Entfernung zu möglichen Wärmeabnehmern häufig als nicht mehr interessante Alternative heraus. Aufgrund der immensen Kosten für die Verlegung und Genehmigung von Fernwärmeleitungen kommt es eher selten vor, dass ein Fernwärmenetz zur nächsten Ortschaft oder zu anderen Abnehmern gebaut wird, so dass das Potential der überschüssigen Wärmeenergie oft ungenutzt bleibt (EDER UND SCHULZ, 2006). Um die Möglichkeiten der Abwärmenutzung einer Biogasanlage genau zu planen, ist es zunächst erforderlich zu wissen, wie viel Abwärme anfällt bzw. nutzbar gemacht werden

33 Literaturanalyse 19 kann. Wichtig ist dabei zu beachten, dass ein Teil der Wärmemenge für die Prozesswärme im Fermenter benötigt wird und deshalb von der gesamten Wärmemenge abgezogen werden muss. Wie groß dieser Anteil ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zum einen muss das Gärsubstrat zum Beispiel durch innen liegende Fermenterheizungsrohre auf ein Temperaturniveau zwischen 35 C und 40 C aufgeheizt und auch gehalten werden. Da mehrmals täglich neues Substrat eingespeist und altes entnommen wird, ist eine ständige Aufheizung des Substrats notwendig. Zum anderen spielen die bauphysikalischen Eigenschaften des Fermenters hinsichtlich der Wärmedämmung eine große Rolle. Diese Wärmeverluste werden auch als Transmissionsverluste bezeichnet und ergeben sich aus dem Wandaufbau des Fermenters. Aus diesem Grund ist eine ausreichende Wärmedämmung der Dach-, Boden- und Wandflächen enorm wichtig. Nicht zu unterschätzen ist zudem der sich verändernde Wärmebedarf bei unterschiedlichen Außentemperaturen. So wird im Sommer weit weniger Energie zur Aufrechterhaltung der optimalen Fermentertemperatur benötigt als im Winter. Wegen der vielen schwankenden Einflussgrößen wird nach Literaturangaben insgesamt von einem Prozesswärmebedarf für den Fermenter zwischen 10 bis 30 % der erzeugten Wärmeenergie ausgegangen. Während bei guter Dämmung der Verbrauch über das ganze Jahr relativ gleich bleibt und bei unter 20 % liegt, steigt der Verbrauch bei wenig gedämmten Anlagen im Winter wesentlich an und kann bis zu 30 % der Jahresleistung des BHKW betragen. Wärmeauskopplung am Blockheizkraftwerk (BHKW) Im Verbrennungsmotor entsteht Abwärme, welche an Kühlwasser, Schmieröl und Abgas sowie über Wärmetauscher an das Heizungswasser abgegeben wird. Weiterhin können die Wärmestrahlung des Motors und die Generatorabwärme als Wärmequelle genutzt werden. Die Temperaturen des Kühlwassers und Schmieröls betragen etwa 80 bis 90 C, während die Abgastemperaturen in dem Bereich von 400 bis 600 C liegen (SUTTOR, 2006). Vor der Planung eines Wärmenutzungskonzeptes sind die Informationen über die Besonderheiten der eingesetzten BHKW Technik von besonderer Bedeutung. Das gilt vor allem für die hydraulischen Verhältnisse im Wärmeverteilungssystem und im Mess- und Regelsystem. Ferner sind die Vorschriften und technischen Daten der BHKW-Hersteller zu beachten. Das gilt für die Temperaturen, Volumenströme, Drücke ebenso wie für die Qualität des eingesetzten Speisewassers in den Kreisläufen.

34 Literaturanalyse 20 Im folgenden Abschnitt werden einige verfahrenstechnische Möglichkeiten der Abwärmenutzung bei Biogasanlagen vorgestellt. Im Mittelpunkt steht dabei vor allem die technische, praxisnahe und wirtschaftliche Realisierbarkeit. Trocknung land- und forstwirtschaftlicher Güter Die Trocknung von land- und forstwirtschaftlichen Produkten durch Biogasabwärme kann dazu dienen, diese zu konservieren und damit die Marktfähigkeit und den Verkaufswert eines Produktes zu erhöhen. Durch die Absicherung der Qualität und Lagerfähigkeit sowie Haltbarkeit land- und forstwirtschaftlicher Produkte durch eine technische Trocknung mittels erwärmter Luft lassen sich marktfähige Produkte erzeugen. Die alternativ mögliche natürliche Trocknung dagegen ist sehr von der Witterung abhängig und kann zu erheblichen Verlusten bzw. Risiken führen. Grundsätzlich sind für eine technische Trocknung Produkte wie Grüngut (Gräser und Leguminosen), Getreide, Kräuter, Energieholz (Holzhackschnitzel, Holzpellets, Scheitholz), Schnittholz und Grünschnitt aus Landschaftspflegeholz interessant. Zu beachten ist aber, dass einige der in Frage kommenden Produkte nur in kurzen Zeiträumen anfallen und unverzüglich getrocknet werden müssen. Für die Trocknung können unterschiedliche Anlagen eingesetzt werden. Es gibt kostengünstige Satztrockner, vielseitige Band- und Schubwendetrockner, Trommeltrockner sowie Kammertrockner. Alle Trockner werden dabei mit erwärmter Luft betrieben. Als Wärmequellen kann der Heizwasserkreislauf oder das Abgas des BHKW genutzt werden. Getreidetrocknung Die Trocknung von Getreide kann für landwirtschaftliche Betriebe eine geeignete, wenn auch zeitlich begrenzte Nutzung der Biogasabwärme sein. Immerhin muss ca. 50 % des jährlich in Deutschland geernteten Getreides technisch getrocknet werden, da es die für eine dauerhafte Lagerung erforderliche Feuchte von < 14 % bis zur Ernte nicht erreicht hat. Nachteilig ist jedoch, dass die Getreidetrocknung nur während der Ernteperiode stattfindet, sodass lediglich mit einer Auslastung der Abwärmenutzung von maximal 4 bis 6 Wochen im Jahr gerechnet werden kann. Diese Option der Nutzung der Biogasabwärme ist nur eine sinnvolle Lösung, wenn noch zusätzlich andere Möglichkeiten der Abwärmenutzung vorhanden sind.